自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計研究

孫開旗

(安徽交通職業技術學院,安徽 合肥 230051)

0 引 言

自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁將斜拉橋與懸索橋兩種橋梁設計結構相結合，具備二者的優點，建造跨越能力較強，自身較為穩定，具備一定的經濟價值。但我國在相關方面的研究幾乎沒有，因此進行自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計研究，將其與傳統纜索橋梁設計體系進行對比，能夠有效提高我國橋梁施工專業性。

1 自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁

自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁是一種不設重力式地錨，將大部分承載力作用于梁端錨固主纜，使得整體橋梁結構橫向與縱向承載力分離的懸索橋體系。與常規橋梁設計體系相比，這種橋梁設計方案能夠在不增加地錨等結構的前提下，就能分解主梁結構的軸向壓力，降低橋梁倒塌的風險。作為懸索橋的一種，自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁也是將纜索作為主要受力結構，整個橋梁由懸索、索塔、索鞍、錨碇等多個結構，并選擇高強度材料制作。

2 自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計現狀

設計項目圖紙是自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁施工的重要參考，其設計水平同最終施工質量有著較大影響。但在實際施工環節，部分施工部門橋梁的設計內容并不科學，缺少對于施工地點的情況考察，僅是憑借概念化的理論進行圖紙研究。在這種情況下，難以發揮自錨式斜拉-懸索協作體系的“分力效果”，降低了橋梁施工建設水平，造成沒必要的人力物力資源浪費。在進行橋梁設計過程中，如何實現在建造當地的環境下，橋梁結構不會出現毀壞現象，保證其安全、可靠，成為當下自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計的主要問題。在使用年限內，橋梁的強度應符合設計要求，避免出現靜力失衡情況。應量減少強迫共振的發生概率，降低結構疲勞對于橋梁質量的影響，保證橋上行車安全。利用氣動措施、機械措施、結構措施等技術手段，提高橋梁的受壓能力，做好橋梁設計工作[1]。

3 自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計優化方案探討

3.1 吊桿內力設計

自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計環節，重點注意超限荷載所產生的影響，保證整體結構的內力、吊桿索力、加勁梁撓度等關鍵指標符合整體施工標準，才能提高橋梁的安全性。設計環節可以通過對吊桿的內力索力來進行橋面調整，優化整體橋梁受力狀態，避免傳統項目設計中通過主纜進行受力調整的復雜性，簡化設計操作流程。進行內力計算時可以將勁梁線形與相關的部件受力情況考慮進去，依托自錨式斜拉-懸索協作體系進行施工完成狀態下的橋梁下值計算。橋梁設計時可以選擇吊桿張拉與索力雙控相配合的方式，將吊桿位移為主要內容，明確索力目標值，在吊桿張拉完成后，進行主梁施工標高作業設計。過程中對于千斤頂的使用、標高范圍、吊桿最大張拉力范圍都要做出相應規定，保證設計效果方便進行質量控制。可以采用交替張拉法進行不同吊桿的輪次張拉，并將對稱張拉作為核心設計原則，適度調整拉桿來優化張拉空間，以及下拉桿的連接套筒更換設計方案。吊桿內力設計是自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計中的關鍵部分，它不僅與吊桿直接受力情況有關，還會影響整個橋梁的主梁受力。進行工程設計環節，要合理估算吊桿內力的有效施工誤差范圍，保證橋梁施工的線性要求及安全質量。

3.2 橋梁主塔設計

自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁主塔設計內容主要包括自身結構及適應力的變形控制，橋梁主塔在施工成橋狀態下借助拉索能夠平衡荷載力，長時間的使用過程中，外界環境中的溫差變化、日照強度使得主塔逐漸產生位移。在橋梁主塔設計環節，要采取有效的方案降低這部分影響力，尤其對于橋梁頂部控制結構的應力狀態設計。可以設計一個主塔偏離監控方案，在橋梁塔頂上建立觀測點，借助高精準度儀器定期進行橋梁位移情況測定。設計環節要充分考慮到環境因素對于主塔形變測量的影響，將位移監測工作設計在日出前進行，并且選擇多種天氣狀態進行不定期觀察，從而保障自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計施工完成后的使用效果。橋梁荷載要求考慮進主塔設計環節，基于主塔實際應力與設計理論值會存在一定的差異性，不能完全滿足誤差參數識別要求，因此要優化主塔控制應力的變化情況，可以在單個塔柱的底部及頂端位置布置應變傳感元件[2]。

3.3 動力特性設計

在傳統的橋梁設計環節中，設計人員往往會忽視風對于橋梁使用的影響作用，導致橋梁設計的動力穩定性較差，完工橋梁存在著較多的安全隱患。近年來，隨著橋梁跨度的不斷增加，橋梁動力特性影響要素探討也越來越受到人們的重視。通過研究表明，橋梁剛度與橋梁動力穩定性有較大關系，自錨式斜拉-懸索協作體系中，其豎向剛度較強，且對于動力穩定性存在一定的提升作用。針對跨徑較大的橋梁設計時，橋梁的風敏感性較強，容易發生渦激共振造成橋梁風災。渦激共振是指從流體的角度來分析，任何非流線型物體，在一定的恒定流速下，都會在物體兩側交替地產生脫離結構物表面的旋渦。風災影響主要分為兩種，一種是強迫共振，另一種是自激振動。強迫共振能夠造成橋梁結構疲勞，影響行車的安全性與舒適性，而自激振動的振力較強，對于橋梁有著毀滅性打擊。

3.4 顫振受力設計

在進行自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計時，要考慮顫振受力可能造成的破壞性純扭轉或彎曲扭轉隱患，當橋梁達到臨界風速后，振動的主梁通過氣流的反饋作用不斷吸收能量克服結構自身阻力，導致振幅逐步增大，最終破壞整個橋梁建筑。顫振幾乎可以發生在任意一種主梁的截面形式中，美國塔科馬海峽大橋是位于美國華盛頓州塔科馬的兩條懸索橋，1940年7月1日，在風速低于25 m/s的環境中，由于分離流引發橋梁扭轉顫振，導致主梁變形。調查顯示這次事故是由于該橋的兩側是由密不透風的硬性形狀組成，主梁的抗扭度較弱，易產生大型漩渦，導致漩渦脫落引發顫振。橋梁顫振是設計環節最應該注意的問題，它一種橋梁的發散自激振動，結構毀滅性強，能夠對橋梁造成嚴重破壞。橋梁顫振與顫振臨界風速及橋梁扭轉頻率有關，資料顯示橋梁的扭轉基頻與臨界風速呈正比關系，從而影響整體橋梁動力特性設計。橋梁設計環節可以選擇分體式結構來降低顫振受力，它是一種特殊的截面形式，通過降低橋梁不同結構之間的空氣壓差，增大橋梁的氣動阻尼，從而提高橋梁顫振臨界范圍風速。實際設計時要考慮到自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁截面面積與顫振臨界風速之間的變化關系，確保橋梁的上下氣流幾乎不會相互干擾，從而實現顫振的穩定性要求。作為橋梁設計的重要革新形式，分體式結構對于顫振穩定性的減緩價值還處于探索階段[3]。

4 結 論

自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁設計工作中，重點在于動力特性及整體剛度的標準制定，過程中要注意風致振動對橋梁彎扭耦合顫振穩定性的影響效果。改變斜拉索與主梁的交匯區域面積后，整個自錨式斜拉-懸索協作體系橋梁動力特性變化不大，由此可見吊桿內力設計在橋梁剛度組成中起到決定作用。